无机材料科学基础A参考答案

2006至2007学年第1学期材料科学基础(建筑材料)A参考答案一、名词解释：（每小题2分，共20分）1、空间格子：晶体内部质点呈周期性排列，如果将晶体中的原子或原子团抽象为空间中的点，晶体将是在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列组成，这种周期性的规则排列的几何点称为空间格子。2、弗伦克尔缺陷：属于热缺陷的一种。即晶格的热振动，一些能量高的原子离开原来的平衡位置，进入到晶格间隙中，形成间隙原子，而原来的位置上留下空位，这种缺陷为弗伦克尔缺陷。3、空间群：在晶体结构中，存在着宏观对称和微观对称，我们将晶体结构中存在的一切对称要素的总和称为空间群。4、类质同晶：晶体结构部分位置被其他离子或原子占有后，不引起键性和晶体结构的质变化，而形成均匀、呈单一相的混合晶体的现象。5、单形：是指借助于对称型之全部对称要素的作用而相互联系起来的一组晶面的组合。同一单形的各个晶面相互对称重复，其对称要素的取向关系也都一致。6、莹石结构：化学式为AX2，晶体结构中X离子作简单立方排列，A离子填充于1/2立方体空隙中，称为莹石结构（注：以A离子排列，X离子填充空隙说明亦可）。7、一致熔融化合物：是一种稳定的化合物，具有固定的熔点，熔化时所产生的液相与化合物组成相同，故称一致熔融。8、稳定扩散：是指在所研究的扩散过程中，扩散物质的浓度分布不随时间变化的扩散过程。9、玻璃分相：一个均匀的玻璃相在一定的温度和组成范围内有可能分成两个互不溶解或部分溶解的玻璃相（或液相），并相互共存的现象称为玻璃的分相。10、液相烧结：凡有液相参加的烧结过程称为液相烧结。二、填空题（每小题2分，共20分）1、在晶胞常数为a的面心立方堆积中，刚好填充八面体空隙球体半径为0.14a。2、根据鲍林规则，如果二元化合物AmBn若正离子A的配位数为6，负离子的配位数为6m/n。3、在1850度，15mol%CaO的添加到ZrO2中，形成置换式固溶体的化学式为CaO0.15Zr0.85O1.85。4、Ca2+、Mg2+、K+和Na+离子中，使泥浆流动性较好的顺序为Ca2+Mg2+K+Na。5、YF3加入到CaF2中形成阴离子填隙型固溶体，其缺陷方程为:CaF2•⁄YF3Yca+2FF+Fi。6、点群L66L27PC属于中级晶族六方晶系。7、等球晶体做六排密堆排列时，其密排面为0001面，原子排列方式为ABAB…。8、同价离子饱和的粘土，其ξ－电位随离子半径的增大而降低。9、扩散过程的一般推动力是化学位梯度。10、熔体的析晶过程是由晶核形成和晶粒长大共同构成的。三、回答问题(共30分)1、叙述硅酸盐晶体结构的类型及特点。（6分）。硅酸盐的主要结构为架状、层状、链状、组群状和岛状（2分）。其特点为（a）以〔SiO4〕为基础（1分）；（b）Si与Si之间以O2-相连接（1分）；（c）Si的配位数为4（1分）；（d）〔SiO4〕之间只能以共顶方式连接，不可能以共棱和共面方式连接（1分）。2、已知CaTiO3为立方晶系，根据图1所示晶胞图回答下列问题（1）结构中各离子的配位数，（2）晶胞的分子数是多少？计算说明O2-离子的电价是否饱和？（9分）（1）Ca离子的配位数12（1分）；Ti离子的配位数6（1分）；O离子的配位数6（1分）。（2）晶胞中Ca离子8占据个顶点位置，共有一个；一个Ti离子位于体心，为晶胞所有；O离子占据个6个面心位置，形成3个O离子。所以一个晶胞中有一个Ca离子，一个Ti离子，3个O离子。其分子数为1（4分）。可见，O离子的电价达到饱和（2分）。3、试比较杨德尔方程和金斯特林格方程的优缺点及其适用条件。（6分）杨德尔方程是基于平板模型所导出的扩散范围的固相反应动力学方程（1分），方程简单，但认为反应截面不变，只能用于反应初期，反应转化率较小的情况（1分）；金斯特林格方程是基于球体模型所导出的扩散范围的固相反应动力学方程（1分），针对杨德尔方程只能适用于转化率不大的情况，考虑反应过程中反应截面的变化，能够描述转化率很大情况下的固相反应（1分）；杨德尔方程和金斯特林格方程均以稳定扩散为基本假设，所不同的仅是几何模型的差别，有着一定的局限性（2分）。4、简述影响烧结的因素。（9分）影响烧结的因素：一、原始粉料的粒度。细颗粒由于增加了烧结的推动力，缩短了原子扩散距离和提高颗粒在液相中的溶解度而导致烧结过程的加速。起始颗粒必须细而均匀。（1分）二、外加剂的作用。1.外加剂与烧结主体形成固溶体；2.外加剂与烧结主体形成液相；3.外加剂与烧结主体形成化合物；4.外加剂阻止多晶转变；5.外加剂起扩大烧结范围的作用。（2分）三、烧结温度和保温时间。提高烧结温度有利于传质过程，但单纯提高温度不仅增加成本，而且促使二次再结晶使性能恶化。材料烧结在低温时间较长，不仅不引起致密化反而会因表面扩散改变了气孔形状而给制品性能带来损害。高温短时间烧结是制造致密材料的好方法。（2分）四、盐类的选择以及煅烧条件。盐类的种类、分解温度和时间将影响烧结氧化物的结构缺陷和内部应变，从而影响烧结速率与性能。（2分）五、气氛的影响。烧结气氛的影响与材料组成、烧结条件、外加剂种类和数量有关，在由扩散图1控制的烧结中，气氛的影响与扩散控制因素有关，与气孔内气体的扩散和溶解能力有关。（1分）六、成型压力的影响。一般来说，成型压力越大，颗粒间接触紧密对烧结越有利，但压力过大是粉料超过塑性变形极限，会发生脆性断裂。（1分）四、计算题（共15分）1、一种玻璃的组成为14％Na2O.13％CaO.73％SiO2（质量分数），试计算玻璃的结构参数值（X,Y,Z,R）。（5分）解：硅玻璃Z＝4R＝O/Si＝（14/62*1+13/56*1+73/60*2）/（73/60）＝2.38所以X＝2R-4=2*2.38-4=0.76Y=4-X=4-0.76=3.242、熔体冷却析晶过程中，在1000℃时，单位体积自由能变化ΔGV＝-418J/cm3，设固—液界面能γSL＝5×10-5J/cm2，试求：（1）在1000℃时的临界晶核半径；（2）在1000℃时进行相变所需的能量。解：rk=—2γSL/ΔGV=2.39×10-7cm（2分）ΔGk=（16/3）（πγSL3/ΔGV2）=1.198×10-17J（3分）五、综合题（共20分）图2为生成一个三元化合物的三元系统相图，试分析回答下列问题：1、判断三元化合物N的性质并指出其判断依据；（2分）化合物N是一个不一致熔融三元化合物，其组成点不在初晶区内。2、标出边界曲线的温降方向和界线性质（以单双箭头区分）以及判断依据；（5分）根据连线规则判断界线温度走向，根据切线规则判断界线性质，见图2。3、指出无变点K、L、M的性质以及判断依据；（3分）根据重心规则或界线温降方向判断无变点性质。K：单转熔点L+AB+NL：低共熔点LB+N+CM：低共熔点。LA+N+C4、分析组成点1的结晶产物和结晶终点；（2分）根据三角形规则组成点1的结晶产物为（B+N+C），结晶终点为L点5、分析点1的结晶路程（表明液固相组成点的变化及各阶段的相变化）。（8分）液相点：)0,(121fBCNLLfCNLDfNL固相点：1BCNECNN图2